1、測(cè)試背景
2021年1月14日，客戶(hù)用螺桿裝配腳輪10件并庫(kù)存在倉(cāng)庫(kù)，2022年1月24日發(fā)現(xiàn)1pc螺桿六角頭部斷裂，參圖1。經(jīng)追溯，斷裂螺桿于2020年11月份生產(chǎn)，客戶(hù)將斷裂螺桿委托實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，協(xié)助分析斷裂原因，解決質(zhì)量困惑。
圖1 組裝腳輪斷裂螺桿外觀
2、樣品信息
某12.9級(jí)高強(qiáng)度螺桿制程：40Cr冷鐓件(外購(gòu))→熱處理強(qiáng)化→外發(fā)鍍鋅。熱處理工藝：850℃保溫1小時(shí)（碳控0.6），油冷（油溫80℃）淬火，350℃回火2小時(shí)，硬度要求HRC40~46。
3、測(cè)試項(xiàng)目、規(guī)范及設(shè)備信息
4、測(cè)試結(jié)果
4.1|斷口表面觀察
斷裂試樣用酒精清洗后，對(duì)其斷口及截面形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2所示：
1.斷口試樣A及B區(qū)域有明顯的撕裂棱，A區(qū)域存在疑似金屬色澤物質(zhì)，這些區(qū)域應(yīng)是裂紋源位置，斷面基本平齊，基本無(wú)變形；
2.螺柱外表面未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋。
圖2 試樣表面形貌圖
4.2|斷口表面SEM+EDS分析
對(duì)斷口表面進(jìn)行SEM+EDS分析，結(jié)果如圖3~4及表1所示：
1.裂紋源位置存在明顯的摩擦痕跡，其成分中含有一些Zn元素，可能是此區(qū)域在鍍鋅之前存在裂紋，鍍鋅過(guò)程中有Zn元素進(jìn)入基材；
2.擴(kuò)展區(qū)整體呈現(xiàn)冰糖狀花樣，局部區(qū)域有小孔洞，是典型的沿晶脆性斷裂特征；
3.瞬斷區(qū)呈現(xiàn)為冰糖狀花樣與韌窩特征的韌性與脆性混合斷裂特征；
4.試樣斷裂模式屬于脆性斷裂模式。
圖3 試樣表面各區(qū)微觀斷口形貌
圖4 EDS分析位置（30×）
表1 EDS分析結(jié)果（%）
4.3|試樣切面分析
對(duì)斷口及正常試樣切面進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5~6及表2所示：
1.裂紋源位置斷面幾乎平齊，邊緣位置有小裂紋，鍍層Zn深入基材，同時(shí)局部區(qū)域含有S元素，可能是酸性鍍鋅溶液殘留，可以推測(cè)開(kāi)裂位置在鍍鋅之前就存在，這一結(jié)果與之前的推測(cè)結(jié)果一致，同時(shí)螺桿上也存在明顯的凹坑，螺絲頭部位置本身容易應(yīng)力集中，在裂紋等缺陷的誘發(fā)下很容易斷裂；
2.正常試樣表面未發(fā)現(xiàn)裂紋和明顯的凹坑等缺陷，僅在局部位置有小凹坑；
3.螺桿表面凹坑缺陷也會(huì)影響螺栓使用壽命。
圖5 切面形貌圖
圖6 EDS分析位置（1000×）
表2 EDS分析結(jié)果（%）
4.4|試樣金相組織分析
對(duì)斷裂與正常試樣金相組織進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示：
正常試樣與斷裂試樣的組織均為回火屈氏體+少量鐵素體。
圖7 試樣金相組織（500×）
4.5|試樣硬度
對(duì)斷裂與正常試樣硬度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3所示：
1.兩者試樣硬度一致，均為~460HV0.3/HRC46，靠近客戶(hù)設(shè)計(jì)規(guī)格上限，但是超出國(guó)標(biāo)GB/T3098.1-2010對(duì)12.9級(jí)螺桿規(guī)定的上限；
2.客戶(hù)技術(shù)要求與GB/T3098.1-2010有差異，建議客戶(hù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格按照國(guó)標(biāo)規(guī)定執(zhí)行，避免高硬度的潛在脆性斷裂風(fēng)險(xiǎn)。
表3 維氏硬度測(cè)試結(jié)果
4.6|試樣化學(xué)成分
對(duì)斷裂試樣與正常試樣化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表4所示：
斷裂試樣與正常試樣化學(xué)成分符合40Cr規(guī)格，符合客戶(hù)要求規(guī)格。
表4 化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果（%）
5、討論分析
對(duì)8.8級(jí)/12.9級(jí)及客戶(hù)螺桿規(guī)格進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表5所示：
1.12.9級(jí)螺桿通常采用SCM435合金鋼（日標(biāo)）材料制造，硬度達(dá)到39~44HRC的超高強(qiáng)度螺絲，其也可以選用國(guó)產(chǎn)材料35CrMo或42CrMo替代，熱處理一般選用調(diào)質(zhì)處理，國(guó)標(biāo)規(guī)定最低回火溫度425℃；
2.客戶(hù)選材為40Cr合金鋼，其屬于8.8級(jí)螺桿建議材料，同時(shí)硬度設(shè)計(jì)40~46 HRC，未嚴(yán)格參照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，設(shè)計(jì)選材欠佳。用40Cr合金鋼做螺桿，為了使熱處理后硬度達(dá)到40~46 HRC，熱處理工藝采用350℃的中溫回火，也低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低溫度425℃，無(wú)疑增加了螺絲的脆性；
3.本案中螺絲頭部本身由于其結(jié)構(gòu)特征容易應(yīng)力集中，加上選材不當(dāng)、熱處理工藝不合適導(dǎo)致硬度過(guò)高、裂紋/凹坑缺陷等就很容易造成螺絲在服役中斷裂。
表5 螺桿規(guī)格對(duì)比
6、結(jié)論與建議
結(jié)論：
1.螺桿斷口整體平齊，呈現(xiàn)為冰糖狀花樣，屬于沿晶脆性斷裂模式；
2.螺桿裂紋源位置有殘留Zn元素，應(yīng)是鍍鋅前就存在裂紋，可能是螺絲斷裂的直接原因；
3.鍍鋅前的裂紋可能與螺栓技術(shù)要求、選材及熱處理工藝不匹配有關(guān)；
4.螺桿化學(xué)成分、硬度、組織符合客戶(hù)規(guī)格，但是和12.9級(jí)螺絲規(guī)定有沖突，屬于產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的選材不當(dāng)。
建議：
1.加強(qiáng)對(duì)冷鐓來(lái)料的進(jìn)料檢驗(yàn)，防止出現(xiàn)表面裂紋缺陷；
2.按照國(guó)標(biāo)正確選材及熱處理。
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